CN105675082A - 液面感应装置、生化分析仪和液面感应方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液面感应装置、生化分析仪和液面感应方法。液面感应装置包括取样探针、电容数字转换器和信号处理装置，电容数字转换器用于检测取样探针的电容值并将电容值转换为数字量输出，信号处理装置用于接收数字量并根据数字量确定取样探针是否与液面接触，在确定取样探针与液面接触时向电机控制单元输出液面感应信号。由于采用电容数字转换器一个元件代替现有技术的转换电路，可以有效解决模拟链路冗长、抗干扰度差的问题，简化电路、减少外界干扰、提高液面感应信号的可靠性。

Description

液面感应装置、生化分析仪和液面感应方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，特别涉及一种液面感应装置、生化分析仪和液面感应方法。

背景技术

生化分析仪用于进行各种体液，如血清、尿液、脑脊髓等的体外定量检测，分析体液前需要取样，取样探针通过取样机构在垂直运动电机的带动下在样本容器中下行。当针尖接触到样本液体的液面时，垂直运动电机必须减速停止，以防止取样探针撞击到样本容器底部造成损坏或插入样本容器太深吸取到血清下方的血浆造成堵针。取样探针吸取体液后在垂直运动电机的带动下向上运动返回，并且通过取样机构在水平运动电机的带动下水平运动到反应杯上方，将吸取的体液加入反应杯。在取样探针取样的过程中必须进行液面感应，在针尖接触到液面时输出液面感应信号如高/低电平信号给电机控制单元，以便控制垂直运动电机减速停止。

现有技术中，生化分析仪的液面感应技术主要为电容型液面感应技术。该技术中，取样探针实质是一个电容，由内、外不锈钢针管组成，中间隔一层绝缘套管，两个针管相当于电容的两个电极，当针尖接触液面时，介质由空气变为体液或试剂等液体，电容量就发生变化，以此来达到液面感应的目的。

申请号为CN200610062402.X、发明名称为“探针液面感应装置及方法”的中国专利申请公开了一种电容型液面感应装置，该装置包括：取样探针，用于吸取被测体液，其本身电容值可变；电容电压转换器，接收取样探针的电容值，并转换成与之对应的电压值；模拟数字转换器(ADC，AnalogToDigitalConverter)，将模拟电压值转换成数字量；信号处理装置，对转换得到的数字量进行运算(阈值、斜率计算等)、处理，输出液面指示信号。

在实现本发明的过程中，设计人员发现以上现有技术液面感应信号的可靠性还存在以下不足之处：

1、模拟链路冗长，探针电容需经过电容电压转换器，模拟数字转换器，最后才由信号处理装置运算、处理，而且电容电压转换器往往由振荡及分频电路、锁相环路、放大整形电路和比较电路等分立元件组成，整个过程经过多次转换，容易受到外界干扰，造成灵敏度下降甚至产生误动作；

2、信号处理装置往往通过阈值判断、斜率计算等方式对探针电容数据进行运算，而探针的温漂、时漂和探针挂液等异常情况会使探针电容值异常，从而导致阈值判断单元失效，产生误动作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种液面感应装置、生化分析仪和液面感应方法，旨在简化电路、减少外界干扰、提高液面感应信号的可靠性。

本发明第一方面提供一种液面感应装置，包括：取样探针，用于从样本容器内的样本液体中取样；电容数字转换器，所述电容数字转换器与所述取样探针耦合，用于检测所述取样探针的电容值并将所述电容值转换为数字量输出；信号处理装置，所述信号处理装置分别与所述电容数字转换器和控制所述取样探针运动的电机控制单元耦合，用于接收所述数字量、根据所述数字量确定所述取样探针是否与液面接触以及在确定所述取样探针与液面接触时向所述电机控制单元输出液面感应信号。

进一步地，所述信号处理装置包括：数据采集模块，所述数据采集模块与所述电容数字转换器耦合，用于每隔时间段t采集一次所述数字量；初值信号接收模块，所述初值信号接收模块与所述电机控制单元耦合，用于获取所述电机控制单元发出的初值信号，其中，在所述取样探针未与所述样本液体接触时，所述电机控制单元发出所述初值信号；存储模块，所述存储模块分别与所述数据采集模块和所述初值信号接收模块耦合，用于在所述初值信号接收模块获取到所述初值信号时存储此时所述数字量的当前值作为初始值；第一判断模块，所述第一判断模块分别与所述数据采集模块和所述存储模块耦合，用于判断所述数据采集模块的数字量的当前值与所述初始值的差是否大于第一阈值，并输出第一判断结果；第二判断模块，所述第二判断模块分别与所述第一判断模块耦合和所述电机控制单元耦合，用于根据所述第一判断结果判断所述取样探针是否与液面接触以及在确定所述取样探针与液面接触时输出所述液面感应信号。

进一步地，所述第二判断模块包括：计数器，所述计数器与所述第一判断模块耦合，用于接收所述第一判断模块输出的第一判断结果并根据所述第一判断结果计数，其中，如果所述第一判断结果为是则所述计数器的计数值加1，如果所述第一判断结果为否则所述计数值减1；比较器，所述比较器分别与所述计数器和所述电机控制单元耦合，用于比较所述计数值与第二阈值，如果所述计数值大于或等于所述第二阈值，则确定所述取样探针与液面接触并输出所述液面感应信号。

进一步地，所述比较器还用于在输出所述液面感应信号的同时向所述计数器发出清零信号，所述计数器在接收所述清零信号后执行清零操作。

进一步地，所述电容数字转换器和所述信号处理装置集成于一个单片机内。

本发明第二方面提供一种生化分析仪，包括根据本发明第一方面中任一项所述的液面感应装置。

本发明第三方面提供一种液面感应方法，包括：步骤10，通过电容数字转换器检测取样探针的电容值并将所述电容值转换为数字量输出；步骤30，根据所述数字量确定所述取样探针是否与液面接触以及在确定所述取样探针与液面接触时向控制所述取样探针运动的电机控制单元输出液面感应信号。

进一步地，所述步骤30包括：步骤31，每隔时间段t采集一次所述数字量；步骤33，获取控制所述电机控制单元发出的初值信号，其中，在所述取样探针未与样本液体接触时，所述电机控制单元发出所述初值信号；步骤35，在获取到所述初值信号时存储此时所述数字量的当前值作为初始值；步骤37，判断所述数字量的当前值与所述初始值的差是否大于第一阈值，并输出第一判断结果；步骤39，根据所述第一判断结果判断所述取样探针是否与液面接触，确定所述取样探针与液面接触后输出所述液面感应信号。

进一步地，所述步骤39包括：步骤391，根据所述第一判断结果采用计数器计数，其中，如果所述第一判断结果为是则所述计数器的计数值加1，如果所述第一判断结果为否则所述计数值减1；步骤393，比较所述计数值与第二阈值，如果所述计数值大于或等于所述第二阈值，则确定所述取样探针与液面接触并输出液面感应信号。

进一步地，所述步骤39还包括步骤395，在输出所述液面感应信号的同时向所述计数器发出清零信号以控制所述计数器执行清零操作。

基于本发明提供的液面感应装置、生化分析仪和液面感应方法，液面感应装置包括取样探针、电容数字转换器和信号处理装置，电容数字转换器用于检测取样探针的电容值并将电容值转换为数字量输出，信号处理装置用于接收数字量并根据数字量确定取样探针是否与液面接触，在确定取样探针与液面接触时向电机控制单元输出液面感应信号。由于采用电容数字转换器一个元件代替现有技术的转换电路，可以有效解决模拟链路冗长、抗干扰度差的问题，简化电路、减少外界干扰、提高液面感应信号的可靠性。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例的生化分析仪的结构示意图。

图2为本发明实施例的液面感应装置的基本原理框图。

图3为本发明实施例的液面感应装置的详细原理框图。

图4为本发明实施例的液面感应方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明实施例提出一种液面感应装置，该液面感应装置包括取样探针、电容数字转换器(CDC，CapacitanceToDigitalConverter)和信号处理装置。取样探针用于从样本容器内的样本液体中取样。电容数字转换器与取样探针耦合，用于检测取样探针的电容值并将电容值转换为数字量输出。信号处理装置分别与电容数字转换器和控制取样探针运动的电机控制单元耦合以接收数字量、根据数字量确定取样探针是否与液面接触以及在确定所述取样探针与液面接触时向所述电机控制单元输出液面感应信号。

在电机控制单元用于在接收到液面感应信号后控制取样探针减速停止。

由于采用电容数字转换器一个元件代替现有技术中冗长的转换电路，可以有效解决模拟链路冗长、抗干扰度差的问题，简化电路、减少外界干扰、提高液面感应信号的可靠性。

下面以带有液面感应装置的生化分析仪为例对本发明的液面感应装置及生化分析仪进行更详细地说明。

图1为本发明实施例的生化分析仪的结构示意图。

如图1所示，该实施例的生化分析仪10包括取样探针11、单片机(MCU，MicrocontrollerUnit)12、取样机构13、水平驱动电机14和垂直驱动电机15。生化分析仪10用过取样探针11从样本容器20中取样后对样本进行分析。取样探针11安装于取样机构13上。水平驱动电机14通过取样机构13驱动取样探针11实现水平方向的运动，垂直驱动电机15通过取样机构13驱动取样探针11实现垂直方向的运动。

图2为本发明实施例的液面感应装置的基本原理框图。

如图2所示，液面感应装置包括取样探针11和单片机12。单片机12具体地包括电容数字转换器和与电容数字转换器耦合的信号处理装置，即本实施例中电容数字转换器和信号处理装置集成于一个单片机12内，该设置可以进一步简化液面感应装置的电路连接。生化分析仪还包括用于控制水平驱动电机14和垂直驱动电机15的电机控制单元。因此，电机控制单元可以控制取样探针11完成水平运动和垂直运动。

电容数字转换器与取样探针耦合，用于检测取样探针的电容值并将电容值转换为数字量输出。

信号处理装置与电容数字转换器和电机控制单元分别耦合以接收数字量并根据数字量确定取样探针是否与液面接触，在确定取样探针与液面接触后向电机控制单元输出液面感应信号。

具体地，当取样探针11的针尖触及样本容器20内的样本液体的液面时，因介质的变化导致取样探针11的电容突然增大，集成于单片机12内的电容数字转换器把电容变化信息转换为数字量，信号处理装置经过对数字量的运算处理后如果判断取样探针11与液面接触则输出液面感应信号至电机控制单元。电机控制单元接到液面感应信号后可以控制水平驱动电机14和垂直驱动电机15减速或停止，从而控制取样探针11的运动。

图3为本发明实施例的液面感应装置的详细原理框图。

如图3所示，本实施例中，信号处理装置包括：数据采集模块，初值信号接收模块，存储模块，第一判断模块和第二判断模块。

数据采集模块与电容数字转换器耦合，用于每隔时间段t采集一次数字量。时间段t优选地为1～5s，例如，在本实施例中，时间段t可以为3s。

初值信号接收模块与电机控制单元耦合，用于获取电机控制单元发出的初值信号。其中，在取样探针11未与样本液体接触时，电机控制单元发出初值信号。本实施例中优选地，在取样探针11未进入样本容器20时，电机控制单元发出初值信号。更优选地在取样探针11运动至样本容器20的正上方时，电机控制单元发出初值信号。

存储模块分别与数据采集模块和初值信号接收模块耦合，用于在初值信号接收模块获取到初值信号时存储此时数字量的当前值作为初始值。

第一判断模块分别与数据采集模块和存储模块耦合，用于判断数据采集模块的数字量的当前值与初始值的差是否大于第一阈值，并输出第一判断结果。第一阈值的大小可以根据样本液体的变化进行适当调整。

第二判断模块分别与第一判断模块和电机控制单元耦合，用于根据第一判断结果判断取样探针是否与液面接触以及在确定取样探针11与液面接触时向电机控制单元输出液面感应信号。

本实施例中，可以通过初值信号接收模块接收初值信号，存储模块存储初始值，第一判断模块和第二判断模块通过当前值与初始值判断取样探针是否与液面接触。由于每次取样时重新采集初始值，因此，能有效减少因取样探针温漂、时漂和挂液等异常情况对检测结果产生的影响，更有效地减少外界干扰、减少取样探针11的误动作。

如图3所示，本实施例中更优选地，第二判断模块包括计数器和比较器。

计数器与第一判断模块耦合，用于接收第一判断模块输出的第一判断结果并根据第一判断结果计数，其中，如果第一判断结果为是则计数器的计数值加1，如果第一判断结果为否则计数值减1。更优选地，在计数值大于零时计数值减1，在计数值等于零时，重新开始取样探针的电容对应的数字量的采集和判断。

如果计数值小于第二阈值或计数值减1，亦重新开始对取样探针的电容对应的数字量的采集和判断。

比较器分别与计数器和电机控制单元耦合，用于比较计数值与第二阈值，如果计数值大于或等于第二阈值，则确定取样探针与液面接触并输出液面感应信号。第二阈值可以在多个第一判断结果的基础上对取样探针11是否与液面接触进行判断，使液面感应信号更加准确可靠。

本实施例中优选地，第二阈值可以在2～6的范围内选择，例如，第二阈值可以设置为3～5之间的任一值。合理设置第二阈值可以在液面感应信号更加可靠的同时，及时控制取样探针11停止，减少因取样探针11伸入液面过深而导致的撞杯或吸取的液体过于粘稠等情况。

本实施例中另外优选地，比较器用于在输出液面感应信号的同时向计数器发出清零信号以控制计数器执行清零操作。计数器及时执行清零操作可以为取样探针下一次工作及时作好准备。

根据以上描述可知，本发明实施例的液面感应装置是一种高度集成的液面感应装置，包括取样探针和电容数字转换器的检测电路是一个简洁的电容采集电路，其用电容数字转换器代替电容电压转换器和模拟数字转换器，既没有分立的振荡电路、分频电路、锁相环电路、放大整形电路和比较电路等，也没有电容电压转换器，将冗长、复杂、由分立元件组成的模拟链路简化成“探针——电容数字转换器”，直接由集成了电容数字转换器和信号处理装置的单片机12采集取样探针11的电容，并对电容的数字量进行阈值判断、处理等，提高液面感应信号的可靠性和抗干扰性，且减少了元件数量和液面感应装置的成本。

而且，本发明实施例的液面感应装置进一步在电机控制单元与液面感应装置的通信线路中增加一路信号(可以为高/低电平信号)，用于在探针每个运动周期均获取电机控制单元发出的初值信号，接收到初值信号后存储代表探针位于取样容器的液面以外的电容值的数字量作为初始值。利用该初始值来进行取样探针是否与液面接触的判断，能有效的减少探针电容因温漂、时漂或探针挂液等对液面感应装置造成的干扰，从而提高液面感应信号的可靠性。

图4为本发明实施例的液面感应方法的流程图。下面以通过前述的液面感应装置实现该液面感应方法进行说明。

如图4所示，该液面感应方法包括：步骤10，通过电容数字转换器检测取样探针的电容值并将电容值转换为数字量输出；步骤30，通过信号处理装置接收数字量并根据数字量确定取样探针是否与液面接触，确定取样探针与液面接触后向电机控制单元输出液面感应信号。

由于采用电容数字转换器进行电容的数字化处理，可以有效解决抗干扰度差的问题，减少外界干扰、提高液面感应信号的可靠性。

本实施例中优选地，步骤30包括：

步骤31，通过数据采集模块每隔时间段t采集一次数字量。时间段t优选地为1～5s。

步骤33，通过初值信号获取模块获取控制取样探针运动的电机控制单元发出的初值信号，其中，在取样探针未与样本液体接触时，电机控制单元发出初值信号。在步骤33中，优选地在取样探针未进入样本容器时、更优选地在取样探针到达样本容器的正上方时，电机控制单元发出初值信号。

步骤35，在初值信号接收模块获取到初值信号时通过存储模块存储此时数字量的当前值作为初始值。

步骤37，通过第一判断模块判断数据采集模块的数字量的当前值与初始值的差是否大于第一阈值，并输出第一判断结果。

步骤39，通过第二判断模块根据第一判断结果判断取样探针是否与液面接触，确定所述取样探针与液面接触后向电机控制单元输出所述液面感应信号。

进一步地，步骤39具体地包括：

步骤391，根据第一判断结果采用计数器计数，其中，如果第一判断结果为是则计数器的计数值加1，如果第一判断结果为否且计数值大于零则计数值减1。

步骤393，通过比较器比较计数值与第二阈值，如果计数值大于或等于第二阈值，则确定取样探针与液面接触并输出液面感应信号。优选地，第二阈值可以在2～6的范围内选择。

另外优选地，步骤39还包括步骤395，在输出液面感应信号的同时向计数器发出清零信号，计数器在接收清零信号后执行清零操作。

本发明实施例的液面感应方法中，新增加从电机控制单元向液面感应装置的初值信号输入。除了常规的“液面感应信号”和“探针撞针信号”外，引入“初值信号”，该信号由电机控制单元发送给液面感应装置。取样探针每个运动周期从清洗针内、外臂开始，清洗完成后水平运动电机将取样探针移动到样本容器的正上方，此时电机控制单元发送“初值信号”给液面感应装置，液面感应装置收到信号后保存数字量的当前值作为初始值，然后不断采集取样探针的电容值的数字量与初始值做相减处理，若连续X次(其中X为第二阈值取整后的整数值)得到的差值均大于设定的第一阈值，则表明取样探针接触到液面，此时液面感应装置发送液面感应信号给电机控制单元，电机控制单元收到液面感应信号后减速、停止垂直运动电机，并在取样探针吸取液体后返回。该液面感应方法可以有效的减少取样探针因温漂、时漂造成的误动作，增加液面感应信号的可靠性。

根据以上描述可知，本发明以上实施例的液面感应装置、生化分析仪和液面感应方法由于使用电容数字转换器作为液面感应装置的核心元件，简化了复杂、分立的硬件方案，降低了对检测电路方案设计、布线等要求，可以提高液面感应信号的可靠性并降低硬件成本；进一步地，通过每次检测获取一次初始值，根据取样探针的电容的数字量的初始值和当前值的比较结果判断取样探针是否与液面接触，可以减少取样探针因温漂、时漂等造成的液面感应信号不准确等问题。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.一种液面感应装置，其特征在于，包括：

取样探针，用于从样本容器内的样本液体中取样；

电容数字转换器，所述电容数字转换器与所述取样探针耦合，用于检测所述取样探针的电容值并将所述电容值转换为数字量输出；

信号处理装置，所述信号处理装置分别与所述电容数字转换器和控制所述取样探针运动的电机控制单元耦合，用于接收所述数字量、根据所述数字量确定所述取样探针是否与液面接触以及在确定所述取样探针与液面接触时向所述电机控制单元输出液面感应信号。

2.根据权利要求1所述的液面感应装置，其特征在于，所述信号处理装置包括：

数据采集模块，所述数据采集模块与所述电容数字转换器耦合，用于每隔时间段t采集一次所述数字量；

初值信号接收模块，所述初值信号接收模块与所述电机控制单元耦合，用于获取所述电机控制单元发出的初值信号，其中，在所述取样探针未与所述样本液体接触时，所述电机控制单元发出所述初值信号；

存储模块，所述存储模块分别与所述数据采集模块和所述初值信号接收模块耦合，用于在所述初值信号接收模块获取到所述初值信号时存储此时所述数字量的当前值作为初始值；

第一判断模块，所述第一判断模块分别与所述数据采集模块和所述存储模块耦合，用于判断所述数据采集模块的数字量的当前值与所述初始值的差是否大于第一阈值，并输出第一判断结果；

第二判断模块，所述第二判断模块分别与所述第一判断模块耦合和所述电机控制单元耦合，用于根据所述第一判断结果判断所述取样探针是否与液面接触以及在确定所述取样探针与液面接触时输出所述液面感应信号。

3.根据权利要求2所述的液面感应装置，其特征在于，所述第二判断模块包括：

计数器，所述计数器与所述第一判断模块耦合，用于接收所述第一判断模块输出的第一判断结果并根据所述第一判断结果计数，其中，如果所述第一判断结果为是则所述计数器的计数值加1，如果所述第一判断结果为否则所述计数值减1；

比较器，所述比较器分别与所述计数器和所述电机控制单元耦合，用于比较所述计数值与第二阈值，如果所述计数值大于或等于所述第二阈值，则确定所述取样探针与液面接触并输出所述液面感应信号。

4.根据权利要求3所述的液面感应装置，其特征在于，所述比较器还用于在输出所述液面感应信号的同时向所述计数器发出清零信号，所述计数器在接收所述清零信号后执行清零操作。

5.根据权利要求1所述的液面感应装置，其特征在于，所述电容数字转换器和所述信号处理装置集成于一个单片机内。

6.一种生化分析仪，其特征在于，包括根据权利要求1至5中任一项所述的液面感应装置。

7.一种液面感应方法，其特征在于，包括：

步骤10，通过电容数字转换器检测取样探针的电容值并将所述电容值转换为数字量输出；

步骤30，根据所述数字量确定所述取样探针是否与液面接触以及在确定所述取样探针与液面接触时向控制所述取样探针运动的电机控制单元输出液面感应信号。

8.根据权利要求7所述的液面感应方法，其特征在于，所述步骤30包括：

步骤31，每隔时间段t采集一次所述数字量；

步骤33，获取控制所述电机控制单元发出的初值信号，其中，在所述取样探针未与样本液体接触时，所述电机控制单元发出所述初值信号；

步骤35，在获取到所述初值信号时存储此时所述数字量的当前值作为初始值；

步骤37，判断所述数字量的当前值与所述初始值的差是否大于第一阈值，并输出第一判断结果；

步骤39，根据所述第一判断结果判断所述取样探针是否与液面接触，确定所述取样探针与液面接触后输出所述液面感应信号。

9.根据权利要求8所述的液面感应方法，其特征在于，所述步骤39包括：

步骤391，根据所述第一判断结果采用计数器计数，其中，如果所述第一判断结果为是则所述计数器的计数值加1，如果所述第一判断结果为否则所述计数值减1；

步骤393，比较所述计数值与第二阈值，如果所述计数值大于或等于所述第二阈值，则确定所述取样探针与液面接触并输出液面感应信号。

10.根据权利要求9所述的液面感应方法，其特征在于，所述步骤39还包括步骤395，在输出所述液面感应信号的同时向所述计数器发出清零信号以控制所述计数器执行清零操作。